牛顿力学、广义相对论、元素周期律、字宙大爆炸……本书汇集了关于数学、物理、化学、生物学等学科的100项重大发现，是一部适合中小学生阅读的优秀科普图书。

经典的科学发现，配有大量弥足珍贵的图片，将人类有史以来最要的科学事件表现得更鲜明直观。阅读本书，轻松接受科学教育，从容地接受新世纪的挑战。

每一项重大发现背后都有一个伟大故事，本书以轻松笔调，全新的视角，深入浅出阐述这些发现的来龙去脉，以及其对人类生活的影响。

无数人曾用木盆洗澡，但只有阿基米德注意到盆里水的变化。

无数人见过吊灯的摆动，只有伽利略注意到摆的等时性。

无数人见过苹果落地，但只有牛顿问过为什么。

从阿基米德到牛顿，从爱因斯坦到霍金，科学探索从未停止。当宇宙的奥秘逐一被前仆后继的科学家们发现，并陈列在世人面前时，人类对世界的认识从此改变，人类文明进程从此加速前进。

本书从物理、数学、天文、化学、地球科学及生命科学六大领域，甄选100个影响世界发展、改变人类认识的重大科学发现，讲述了这些科学发现的背景、过程，以及女由何改变了历史轨迹，改变我们的生活。

物理类

杠杆原理 能撬起地球的力量／1

浮力定律 鉴定王冠的依据／2

自由落体定律 物理学的真正的开端／4

惯性原理 划清了运动与力的关系／6

光的反射与折射定律 几何光学的基础／8

大气压强 抽水机抽出来的重大发现／10

帕斯卡定律 打破了流体力学千年的沉寂／12

光色散 光的“粒子说”的开端／13

动量守恒定律 人类最早发现的一条守恒定律／14

欧姆定律 电学中的基本定律／15

安培定律 电学史上一颗璀璨的明珠／17

电磁感应 人类制造最伟大能源的方法／19

能量转换与守恒定律 直面永动机的挑战／22

热力学第二定律 自然界中热量的转化方向／24

多普勒效应 寻常的现象，不寻常的用途／26

光谱分析法 化学家的神奇眼睛／28

麦克斯韦方程组 第一个完整的电磁理论体系／30

光速 颠覆经典物理学的秘密／32

X射线 第一个荣膺诺贝尔物理学奖的发现／34

放射性 打开了微观世界的大门／36

电子与原子内部结构 通向粒子物理学大门／38

钋和镭 放射科学建立的基础／40

量子理论 微观世界中的轮盘赌／42

电磁波 人类素未谋面的“朋友”／44

光的波粒二象性 长达三百年争论的结果／45

狭义相对论 颠覆常理的时空观／48

超导 绝对没有阻力／50

广义相对论 科学的宇宙学由此创立／52

测不准原理 上帝掷骰子吗／54

中子 轰击原子核的最好“炮弹”／56

正电子 反物质亮相的先驱／58

核裂变与核聚变  福音还是噩梦／60

宇称不守恒定律 粒子照镜子，里外不一样／62

夸克 比质子、中子更弛

数学类

十进位制 数学史上最妙的发现／66

欧氏几何 一座不朽的丰碑／68

零的概念 整个世界为之改观的发现／70

阿拉伯数字 一场历史误会／72

符号代数学 数学走向抽象化的标志／74

解析几何 数学的转折点／76

微积分和分析数学 人类精神的最高胜利／78

复数的概念 数学史中最奇特的一章／80

非欧几何 从假设中推出一种全新几何学／82

数理逻辑 现代计算机技术的基础／84

拓扑学 从哥尼斯堡七桥问题引发的新数学／86

概率论 赌金分配中的学问／88

集合论 1+1不一定等于2／90

控制论与信息论 现代科学整体化发展趋势／92

天文类

地球周长 没有轰动的古代奇迹／94

日心说 天文学的根本变革／96

行星运动定律 经典天文学的基石／98

万有引力定律 17世纪自然科学最伟大的成果之一／100

造父变星宇宙的“量天尺” ／102

河外星系 揭开“宇宙学”的序幕／104

大爆炸宇宙学说最有影响的宇宙起源学说／106

恒星演化恒星不恒／108

星际分子太空不空／110

黑洞大恒星的末日／112

暗物质21世纪初科学最大的谜／114

恒星周年视差证明日心说的最后一个难题／116

化学类

质量守恒定律物质不灭的奥秘／117

光合作用原理地球上最重要的化学反应／119

氧和氧化学说现代意义化学的诞生／121

化合物定组成定律九年论战终成正果／124

原子论近代化学的基础／126

分子学说原子论的有力补充／128

苯的结构一梦成功／130

元素周期律物质世界的秘密／132

化学元素说化学组成理论的基石／134

化学键理论分子或晶体的内部秘密／136

高分子化学新材料科学的一个支撑学科／138

生命的起源一个亘古未解之谜／140

地球科学类

地圆说论证了两千年的结论／142

古生物与地层学现代地球科学的基础／144

大气环流理论天有可测风云／146

大陆飘移学说地图中的秘密／148

温室效应与全球气候变暖人类迄今面临的最大挑战之一／150

电离层 电磁波的传播介质／152

核幔差异运动 地球的深部动力／154

生命科学类

化石 远古时代的见证／156

血液循环 通过计算得出的理论／1 58

人体结构与解剖学 解剖学步入了正轨／160

微生物 生命起源的活化石／162

生物分类学 初步划定物种的等级序列／164

进化论 向上帝宣战／167

细菌学说 拯救法国葡萄酒业的发现／170

酶理论生物体自身的工程师／172

细胞学说一切细胞来自细胞／174

遗传定律 豌豆杂交实验的发现／176

人类起源 与上帝的直接交战／178

条件反射大脑发出的命令／180

免疫系统与免疫学说 医学领域和生物学的领头学科／182

神经元 人体与外部沟通的工具／185

血型揭开“血”的奥秘／186

激素 真正的灵丹妙药／188

病毒 不能独立生存的原始生命体／190

遗传基因 揭开男女性别之谜／192

青霉素 治疗细菌性感染的第一个武器／194

DNA双螺旋结构 生命科学史上的划时代突破／196

克隆技术 典型的双刃剑／198

直面永动机的挑战

能量转换与守恒定律

不要永动机，要科学！焦耳

“热不过是动力，或者更确切地说，不过是改变了形式的运动。动力是自然界的一个不变量，动力既不能创造也不能消灭。”

当1824年法国年仅24岁的科学家卡诺在（（关于火的动力》一书中写下这一有启迪性的光辉论断时，没有人意识到这一宝贵思想的重要性，它揭示了什么秘密。英年早逝的卡诺没能进一步发挥这个宝贵思想的作用，尽管他是最早提出热力学中能量守恒概念的人。

50年后，当人们知晓他的这一思想时，热力学第一定律——能量守恒与转换定律已成为那个时代自然科学的基石，被誉为最伟大的发现了。而完成这一历史重任的主要有三位科学家，他们分别是迈尔、焦耳和亥姆霍兹。

迈尔原是德国的一名普通乡下医生，1840年初开始在汉堡独立行医。同年2月22日，他有幸作为一名随船医生跟着一支船队来到印度尼西亚。刚到加尔各达时，有许多船员因水土不服病了。迈尔用针扎放血的老办法治疗时发现了一个很奇怪的现象：船员静脉放出来的血是鲜红，而在德国时，静脉放出的血一直都是黑红色的。

这是一个很不起眼的事，很多人可能并没有在意，但迈尔却在思考人的血液颜色在不同的地方怎么会如此大的不同。经过反复地分析比较，迈尔认为热带气温高，人体消耗的热量少，血液从人体中吸收的养料相对比较少。由于养料消耗少，血液中氧化交换量也随之减少，所以静脉中含氧量相对于寒冷的地方就会多些，血液的颜色也就红一些。

1841年回到汉堡后，迈尔大胆地写了一篇论文《关于非生物界各种力的意见》，认为运动、热、电等现象都存在一定的转换规律，他还明确地提出，能量“无不生有，有不变无”，各种形式的能量可以互相转化，但转化前后的总能量是守恒的。而且可贵的是，他还用自己的方法测得热功当量为365千克米／千卡。因而，现在公认第一个提出能量守恒并计算出热功当量的人是迈尔。

尽管迈尔到处演说宣传他的观点，可是当时的物理学家们不相信他的观点，有些人还不尊敬地称他为“疯子”，他的论文也只是在一本名不见经传的医学杂志上得以发表。后来，就是他的家人都怀疑他疯了，最终逼得他跳楼自杀，成为又一位为真理殉难的人。

与迈尔同时发现能量守恒的还有一位科学家，他就是焦耳。1840年，他发现了电流的热效应：通电导体所产生的热量与电流强度的平方，导体的电阻和通电时间成正比。这就是焦耳定律。随后，他又发现无论化学能、电能都产生热。发现这一共性后，他用多种机械装置反复测定热功当量，终于在1878年精确地测定了热功当量值为423.9千克米／千卡，从而为能量守恒奠定了巩固的实验基础，因此也被公认为发现人之一。1845年，他宣读了他的论文，并当场做实验证实他的论点。从此，关于能量守恒的话题才得到科学界的关注。

随后，德国生理学家亥姆霍兹在不了解迈尔和焦耳的研究情况下，独自阐明了热的本质，提出张力（今称势能）和活力（即动能）的转换关系，系统地分析了在电、磁和生物机体中的“力”的守恒问题。自此，能量守恒与转换定律获得科学界的认可。

不过，那时人们还将能量与力混为一谈。因此，能量守恒定律起初叫“力的守恒定律”。1853年，汤姆孙重新提出了能量的定义，人们才开始把牛顿的“力”和表征物质运动的“能量”区别开来，“能量”一词获得广泛使用。不久，苏格兰物理学家兰金把“力的守恒”原理改称今天的“能量守恒”原理。

1860年后，能量守恒定律已经成为全部自然科学的基石，尤其在物理学中，每一种新的理论是否正确几乎都要检验它是否符合能量守恒原理。

20世纪初，爱因斯坦的狭义相对论使能量有新的涵义，即物质质量与能量之间还存在的一种新关系：E=mc2。能量守恒定律又扩大为质量能量守恒定律。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。它科学地阐明了运动不灭的观点，成为人们认识自然和改造自然的有力武器。

自然界中热量的转化方向

热力学第二定律

一个没有任何外力为助的自行作用机械不可能将热从一物传递到温度较高的另一物。

——汤姆逊

18世纪，蒸汽机的发明与应用，使人类社会从手推磨、水车和风车的人力时代进入了机器时代，拉开人类历史上第一次工业革命的序幕，从此宣告了蒸汽机时代的到来。

在蒸气机大量普及应用的同时，一个显而易见的问题成为各国科学家关注的焦点：如何提高蒸汽机的热率？正是对提高蒸汽机热率的研究，法国学者卡诺发现了热力学第二定律。

年轻的卡诺早就注意到英国制造的发动机，生产性能远远高于法国本国生产的。他下定决心要提高法国发动机的生产性能。

卡诺慧眼独具，富有远见卓识，他另辟蹊径，首先从理论上对理想蒸汽机的工作原理进行了研究。1824年，他在《关于热的动力的思考》的论文中指出了提高热机效率的方向。他设想了一个既不向外做功又没有摩擦的理想热机（即“卡诺热机”），并引入了工作循环的概念，这就是所谓的“卡诺循环”。

通过进一步深入研究，卡诺总结了热机工作过程最本质的东西；一切热机都必须工作于两个温度不同的热源之间，高温热源供给热量，低温热源吸收热量，才能有效地把热量转化为有用的机械功。最后，他得出：要使热能最大可能转化为机械能，必须扩大高温热源与低温热源之间的温差。

在此基础上，他得出了卡诺定理：在工作于两个给定温度之间的所有热机中，以这种理想可逆热机所产生的动力为最大；热动力的产生与所用的工作物质无关，它的量完全决定于两个热源的温度；热机效率永远小于1。卡诺定理实际上已经包含了热力学第二定律的基本思想。

卡诺一直信奉热质论，这使他在当时不可能认识到热和功转化的内在的本质联系。正如恩格斯评价说：“他差不多已经探究到问题的底蕴，阻碍他完全解决这个问题的，并不是事实材料的不足，而只是一个先人为主的错误理论。”

等到1830年，卡诺转向了热的运动说，并得到了热功当量值时，他已没有时间做进一步的深入研究去改正他的错误了，疾病在1832年夺去了他的生命。但他的研究为热机理论的形成和发展做出了开拓性的贡献，为提高热机效率指明了方向。

1850年前后，德国物理学家克劳修斯（Clausius，1822—1888）和英国的开尔文勋爵在接受了焦耳的热功等效和热功转化的思想后，先后对卡诺热机理论加以改造，指出卡诺定理的陈述是正确的，但其关于热能没有损失的假定则要修正。这样，卡诺定理就发展成为热力学第二定律了。

热力学第二定律指出了自然过程发展的方向性特征，进一步发展了能量概念，扩展并深化了人们对物质世界的认识。

P22-25